智能式中频电加热采油技术的应用

杨锐（中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心）

我国的一些油田原油含胶质沥青、石腊较高，在开采这种稠油时，会使抽油机的电动机驱动功率加大，严重时会烧毁电动机，甚至造成拉断抽油杆使油井报废的事故。对稠油井加热是解决这一问题的最常用方法。以前采用的多是工频电加热，因为单相工频电加热会造成电网不平衡对电网产生污染，智能式中频电热采油技术解决了这一问题，并且采油效率高、能耗低。

1 技术装置的构成与工作原理

1.1 构成

智能式中频电加热采油技术装置，由四大部分构成：程控中频电源、空心抽油杆、钢铠电缆和空心抽油泵，见图1。

图1 智能式中频电热采油系统示意图

1）程控中频电源。程控中频电源分左右两室，左室为机芯、断路器和控制板；右室为环形中频变压器和电容，彼此用隔板隔开，上下方均有散热通风道。它是一种用电力电子器件－IGBT把50 Hz的工频电流转换成中频电流的装置。

2）空心抽油杆[1]。空心抽油杆除了将抽油机的动力传给抽油泵，抽吸井液外，可让加热器－钢铠电缆穿过泵筒，下到泵下加热深度。通电后加热井筒油流，降粘减阻。目前应用的空心抽油杆，均为连结式，其规格性能见表1。

表1 空心抽油杆规格、性能

3）钢铠电缆。钢铠电缆又称电加热器，它是用金属无缝管做护套，以Φ6.5 TV-1型铜棒为芯线，环空以耐高温绝缘材料充填压实，并配以结构件组成。钢铠电缆是本装置的核心加热部件，其主要技术特点：耐温-30～＋250℃，耐交流电压2000V，抗拉强度390N/mm2，使用寿命大于等于2年。

4）空心环流泵。空心环流泵是实现泵下加热、降黏的关键技术，其结构见图2。主要由泵筒系统和柱塞系统组成。泵筒系统包括泵筒、固定阀外壳、导流挡块、护管等组成；柱塞系统由加长杆、柱塞中心杆、柱塞、柱塞阀座、柱塞阀体、固定阀体、滑动密封套、滑动密封杆等组成。其主要技术参见表2。

图2 空心环流泵结构示意图

表2 空心泵主要技术参数

1.2 中频电热采油工作原理

首先，将输入380 V、50Hz的工频电流，经三相桥式整流，滤波后变成530 V直流电，再经主回路和控制回路逆变成500～2500 Hz的单相交流电，最后由中频变压器的副边输送到油井加热电缆，为集肤效应电热采油提供电源见图3。通过钢缆芯线直到井底（加热深度点）。再通过回路接头与其外护管形成回路。通电后，使两个载流导体，基本上形成电流方向相反，大小相等的条件。

图3 智能式程控中频电源工作原理简图

根据电磁感应原理，当中频电流通过钢缆芯线时，在电磁场的作用和影响下产生磁力线切割外导体，使护套钢管产生感应电势并垂直于感应线。

表面内引起感应电流（涡流），使钢管发热，其电热（E）可由公式（1）算出：

式中：k—综合系数；f—交流电的频率；∮—交变磁通量的最大值。

由于这种回路的特殊结构，可同时产生：

◇集肤效应：使电流集中在外护管内肤壁较薄层流出，从而大幅度增加了交流阻抗。

◇亲近效应：即使护管外表面不带电，漏磁通少。

◇发热效应：即当f大于等于500 Hz时的中心导体－芯线几乎不发热。

在感应电势作用下，外护管内壁产生的涡流（I），环路电阻（R），环路电抗（X），有如下关系：

从上式看出：回路系统内所产生的涡流（I）的大小与感应电势成正比，与回路阻抗成反比。当回路阻抗确定的情况下，则发热量与感应电势（E）成正比，而（E）仅与f有关。尤其f值，工频与中频相差10～50倍，故中频电热效率高。实际应用时，f值应选择合理范围。

2 技术特点和应用范围

2.1 技术特点

智能中频电热采油技术，是在工频电热采油技术基础上研制的。因此，除具备结构简单，施工方便，调整灵活的技术特点外还有：

1）适应范围大，泵上、泵下均可加热，且加热深度可达2500m，耐温达280℃。

2）既可保证电网平衡，又节能。多口井现场生产试验表明比工频电热采油节能20%～40%。

3）抗干扰能力强，运行可靠，使用寿命长。

4）空心环流泵的柱塞阀是采用机械强制性开闭，而固定阀是靠磨擦力和自重半机械化开启，泵的充满系数高，可防止气锁，因此泵效高。同时在提泵时，可实现自动泄油，不用泄油器。

5）该装置可实现对井口加热温度，或加热电流，进行智能控制。

智能中频电热采油技术的特点表明，该技术目前在国内外电热采油技术的方法中是最先进的。

2.2 应用范围

智能中频电热采油技术，当然也适用泵上电热采油。由于加热深度、加热功率可根据油井的实际生产状况来调整、控制。耐温性能好，因此其应用范围较广，凡是稠油、高凝油生产井，在生产过程中，需要对井筒油流加热降粘的井均可应用[2]。

3 电热采油主要技术参数的确定

智能中频电热采油配套装置，输出功率范围大（≤140 kW），完全可以满足各类稠油井、高凝油井的生产需要。由于每口电热采油井的生产条件不同，故在生产运行中电热采油的技术参数亦不同。这就需要根据油井的具体地质、采油条件，来确定相应的技术参数。主要包括：加热深度、井口出油温度和所需加热电功率。这些参数的确定，是选择程控中频电源的规格和正常运行参数调整、控制的基础。

3.1 加热深度的确定

对于浅井（井深小于1000m），因油层埋藏浅、自然温度低、油稠，特别是高凝油，甚至低于凝固点温度。其加热深度一般要求在油层部位。这样既能对井底原油加热，又可以对近井地带油层产生热影响。

对于中深井（井深1000～2000m），这些井一般油层自然温度较高，甚至在稠油的拐点温度以上（或高凝油凝固点以上），流动性相对好一些。其加热深度可控制在目前技术允许的范围内。如果把稠油的拐点温度确定为井筒油流的最低温度时，可根据公式（3），来计算任一口井所需的加热深度。

式中：

L——所需加热深度，m；

a——常数（地区年平均地表温度），℃；

d——该油区的地温梯度，℃/100m；

T——本井稠油的拐点温度，℃。

计算结果，当L≥油井深度时，则说明该井所需加热深度均为油层深度。图4是根据不同的地温梯度和相应的稠油拐点温度绘制的L、T、d关系曲线（当a=10℃）。如果已知a、d和T值就可以查出相应的L值，即加热深度值。

由图4看出，在地温梯度相同的条件下，稠油的拐点温度越高，则所要求的加热深度越深。如果稠油的拐点温度相同，那么地温梯度越小，则所需加热深度越深。

3.2 加热温度的确定

原油由井底举升到地面，是一个降压、脱气、降温、稠变的过程。而稠油对温度有较高的敏感性，即当稠油的温度达到一定值后，其黏度将随着温度下降而急剧上升，迅速稠化，通常把这个定值温度叫做稠油的拐点温度。实践资料证明，不同类型的稠油，其拐点温度不同，拐点所对应的黏度也不同，图5是不同类型稠油的黏温关系曲线。由曲线明显看出随着原油的性质变好，其拐点温度下降。某油田区块35-40井、冷41井为超稠油，拐点温度64～68℃，而34-20井、37-168井为特稠油，拐点温度为60～62℃，其余为普通稠油，拐点温度小于55℃。要使稠油在举升过程中，能具有较好的流动性，并防止由于井筒温度低于拐点温度而急剧变稠，使抽油机负荷突然增大而带来危害，保证油井正常生产。因此要求在举升过程中，油流温度要保持在拐点温度以上，这样才能获得较好的生产效果[3]。

3.3 加热电功率的确定

根据电、热能量的转换原理，其所需加热电功率（P），应等于油流从井底举升到井口增温所消耗的电功率P1，与在该过程中向地层方向所损失的电功率P2之和，即:

由电热平衡原理知：

式中：

Q——产量，kg/s；

λ——原油的比热容，λ=2.09 kJ/（kg·K）；T1、T0——分别为井口和井底原油温度（加热深度点对应的），K；

R——径向总热阻（即从油管内壁至岩层自然温度点的总热阻），Ω；

Δt——油管内壁到岩层的自然温度点的温差，K；

L——加热深度，m。

所以，

式中Δt/R值从理论上是可以计算出来的，但过程复杂，需要求出各传热介质的导热能力，加热后井筒温度场的分布变化规律，影响因素较多，有些参数很难确定，为此，对（7）式进行简化处理。

假设井底和井口温度相等，即沿轴向热能不变，则公式（7）可简化为：

即加热功率全部用来弥补井筒径向热损失。也可以说这是泵电加热的最低加热功率。若令Δt/R=A，则P=AL，或A=P/L，此时A值的含意是：单位加热深度径向功率消耗。

根据智能中频电热采油井的生产运行资料分析，在一定条件下（地质、完井情况相近），在生产过程中，单位加热深度径向热损失，即A值，一般在0.07～0.10（kW/m）。表3为曙一区6口电热井A值统计表。平均A值为0.087 kW/m。这样，对某油区油井设计所需加热功率时，将A值代入公式（8），即可得出。

表3 部分电热井A值统计

实践资料说明：油井电加热过程中，有80%多的功率是用来弥补径向热损失。真正用在井筒油流增温降粘的功率很少。

4 经济效益分析

智能中频电加热采油技术与原工频加热相比，节电效果十分明显。对某油田46-40井、44-40井进行了现场测试，节电效果如下：

46－40井：原工频加热功率为102.0 kW；中频加热功率为57.6 kW。年节电量为319 680 kWh(注：空心抽油杆加热年运行时间以300天计算)，如每度电按0.5元计算，每年可节约电费159840元。

44－40井：原工频加热功率为93.1 kW；中频加热功率为44.0 kW。年节电量为353 520 kWh，每年可节约电费176 760元。

由此可见，中频电加热采油技术与工频相比节电效果十分明显。而每套设备与原工频相比只需增加一台中频电源6万元，最多半年即可收回投资。

5 结语

智能中频电热采油配套装置可以满足各类稠油井、高凝油井的生产需要，运行稳定、节能高效。目前该项技术已在吉林油田、辽河油田、胜利油田等稠油开采上推广应用，应用井数达上千口，取得了十分可观的经济效益。

[1]夏洪权.空心抽油杆越泵电热采油技术[J].油气田地面工程,1999(4):16-20.

[2]王世杏.井筒降粘技术在超涂层稠油藏开采中的应用[J].内蒙古石油化工,2002(2):101-106.

[3]王景瑞.塔河油田碳酸盐岩油藏稠油井筒降粘工艺技术研究[D].北京:中国石油大学,2007.